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Estabilidad de Wayra

Estabilidad de Wayra

En esta sección publicaré todos los calculos de estabilidad que pienso hacerle al velero, esto a medida que vays siendo posible realizarlos, pues para completarlos necesito de el peso y lugar de cada equipo instalado abordo. Asi que los calculos completos quedarán para el final del Projecto.

A medida de información primero que todo comienso publicando los conséptos más basicos usados en estabilidad asi como tambien en el desarrollo de cualquier proyecto de construccion de toda embarcación.

Algunos diseños y definiciones fueron obtenidas en www.navaldesigner.com

Parametros & Definiciones de estabilidad e hidrostatica
Over All Length (LOA): Eslora total

Beam Over All (BOA or B) - Manga

La manga Máxima del barco

Beam Water Line (BWL):
Anchura del casco en al nivel de la linea del plano de agua
Este es un lemento fundmentál para la estabilidad inicial.

 

Length Water Line (LWL): La distancia de proa a popa perpendicular al nivel del plano de agua.Usada para estimar la velocidad del barco, entre mas larga la LWL (load water line), mas rápida la embarciòn.Tambien llamada Linea de agua de Diseño o Datun water line. o (DWL)

Draft: (calado)

profundidad del casco debajo de la linea del plano de agua

 

 

 Coefficiente de Bloco(Cb):

Coeficiente de Bloco ( Cb ):
Coefficient que se obtiene dividiendo el volumen de la parte sumergida del casco que está por debajo del nivel de la linea del plano de agua entre el volumen del rectangulo que lo contiene.
Este coeficiente varía entre 0.4 (para veleros) hasta 0.85 (para barcasas o bongos). Esto da una idea de la forma en " V " del casco

 

Coefficient Prismático (Cp):

Coeficiente que se obtiene llenando un " prisma " de largura igual ala linea de agua y la sección idéntica ala máxima sección media transversal.

El coeficiente varia entre 0.5 y 0.8 respectivamente de un fino y regular velero hasta un hancho y cuadrado planchon o barcaza.

Wetted surface: Area mojada es el area del casco en el agua. Los diseñistas se esfuerzan en obtener la menor area para reducir la fricción con el agua.
volume inmerso Volumen del barco debajo del plano de agua.
Area del plano de agua:Ara horizontal definida por el plano del agua.
Desplazamiento
: Volumen del casco inmerso x por el peso específico del liquido en que el barco flota.

Despazamiento da el peso total que el barco puede llevar (en buques mercantes, el peso muerto mas el peso que paga flete)

De acuerdo al principio de Arquimedes, La masa de un cuerpo flotante es igual ala masa de agua que el desplaza al flotar.

En agua dulce el desplazamiento será igual al Volumen desplazado multiplicado por la densidad del agua dulce que es 1000 kg/m2
En agua salada, el displazamiento es igual ala masa del agua desplazada multiplicado por la denciadd de agua salada que es 1025 kg/m3. ( La densidad del agua de mar varia, pero su promedio usado es de 1025 kg/m3)
En agua salada un barco flota más, o sea cala menos que en agua dulce.

Center of Buoyancy (centro de flotación): Es el centro del casco debajo del plano de agua en el punto en que la fuerza de Arquimedes es aplicada.
 

Sail Area-Displacement Ratio Esta relación indica cuanto veloz el barco es en vientos leves. Entre más alto el numero, más rápido el barco es.
* Velero de crucero tiene un numero entre 10 y 15
* Un velero de crucero y de regata entre 16 y 20
* Velero de regata, mayor de 20
* Velero rápido de regata tiene un numero mayor de 24

Formula:
SA/D = area velica / Desplazamiento en pies cubicos )2/3

Displacement- Length Ratio
Esto indica si el barco es tipo crucero pesádo (resultado mayor de 325) o un velero liviano de regata (resultado menor de 20)  
Formula:
D / L = Desplazamiento / ( 0.01 * LWL )3
Dizplazamiento en toneladas largas.(1 ton. larga = 2240 lbs.)
 
Cálculo del momento de inércia del plano en la linea de agua (ItWP) El diseño muestra un típico plano de agua con el rectángulo que lo continee en contorno de este.La diferéncia entre el area del plano de agua y el rectángulo que lo rodéa(DWL X BWL) es llamado de coeficiente del plano de agua -  coefficient of the waterline plane (CWP). El coeficiente es bastante constante para los siguientes veleros:

(DWL tambein llamada LWL)
-Velero liviano con proa y linea fina = 0,65
-En promedio los modernos veleros = 0,66
-Veleros con popa ancha, tipo escuna = 0,68
-Veleros pesados de crucero = 0,69

Con la siguiente fórmula obtenémos con bastante exactitúd el momento de inércia del plano de la linea de agua(ItWP) (el CWP del Velero Wayra es 0,67)
Coeficiente del plano en la linea de agua(CWP) =

Area del plano de agua / (LWL X BWL)
(CWP) = 354 pies cuadrados / (42 pies x 12.6 pies) = 0,67


Es importante notar que entre mayór el momento de inercia y mas bajo el centro de gravedad del velero, mayor la estabilidad inicial será. Se puede ver en la formula que para que la estabilidad inicial aumenta al cubo de la manga en el plano de agua (BWL). Asi que pequeños aumentos en la manga, crea grandes aumentos en la capacidad de llevara area velica)
 

        Estabilidad, seguridad y  desempeño de " Wayra "

A continuación trato primero de algunos concéptos de estabilidad para luego hacer algunos claculos exclsivos para Wayra. 

La forma del casco, la quilla, la posición del timón, altura y tipo de mastil,material vélico,winches, todos son un importante factor para el desempeño y la seguridad, pero la verdadéra clave para seguridad y buen desempeñ del barco es la estabilidad.Asi como la estabilidad determina el factor crítico de seguridad, estabilidad determína la cantidad de velamen que un velero puede llevar, asi como mastiles con todos sus componentes y soportes.

La estabilidad o la necesidad de ella es lo que govierna la forma del casco más todavia la forma de la quilla, la localización y proporción de la pala del timón.En pocos terminos, estabilidad afécta dirécta o indiréctamente casi todo en la construcción de barcos.

Hay dos tipos de estabilidad:Estabilidad inicial y reserva de estabilidad. La inicial se puede decir que determina la capacidad de velamen y el buen desempeño potencial del velero.Reserva de estabilidad es la que hace que el velero por si mismo vuelva a su posición original de navegabilidad despues de haberse escorado al máximo (o dado la vuelta de campana debido alas malas condiciónes del mar- despues de haber girado 180 grados).Esos dos aspectos diferentes de estabilidad son frecuentemente confundidos.Puede ser que caracteristicas del diseño genéran pérdida de estabilidad inicial haciendo reducir tambien reserva de estabilidad y vice versa.La clave para un diseñista es la de darle al velero buena estabilidad inicial y suficiente reserva de estabilidad.    

Estabilidad inicial: Con mayor estabilidad inicial, más área velica el velero puede desplegar a contraviento en fuertes vientos, llevar un mastil más alto asi mas rapido el velero puede navegar.Esto es lo mas importante de la estabilidad inicial, aveces llamada de " fuerza " inicial, estabilidad inicial  es llamada tambien de " rigidez ", y un barco con bastante estabilidad inicial es un barco " duro o fuerte ". Un barco con poca estabilidad inicial se dice que es " flojo, blando o suave".

La estabilidad inicial es generada por el area del plano de agua, combinado con el centro de gravedad y la distancia hacia arriba o hacia abajo de este con respécto al plano de agua.Culquier otro factor de la forma del casco es secundario y puede ser tranquilamente ignorado. 

El area del plano de agua crea la estabilidad inicial - ampliamente hablando - por su recistencia a girar sobre su linea central. Diseñistas y Arquitectos Navales evalúan esta característica como una cantidad llamada: Momento de inércia del area del plano de agua (ItWP)    

Reserva se estabilidad: Tambien llamada de estabilidad final, es crítica porque determina que seguro el barco es. Reserva de estabilidad es definida como el numero de grados que un barco puede escorarce y todavía regresar a su posición original por si mismo (recuperarse, adrizarse, enderezarse). Despues de ese punto el barco continuará por su própio peso escorandose (inclinandose) hasta girar completamente naufragando.El angulo al que el barco gira  es llamado de vanishing angulo de estabilidad (angle of vanishing stability), o AVS. la reserva de estabilidad es tambien llamada de angulo de estabilidad positiva. Si por ejemplo, un velero mantiene una estabilidad positiva hasta 120 grados de escora, su AVS es de 120 garados y su rango de estabilidad positiva es de 0 a 120 grados de escora. 

Como regla general, un velero hasta 75 pies de Eslora total para navegación océanica (lejos de la costa), deberá tener un rango de positiva estabilidad de 120 grados o mayor. Para veleros menores de 75 pies, el rango de 110 grados es aceptable. Entre mayor el rango de estabilidad positiva, menor tiempo el velero permanecerá girado completamente (con la quilla para arriba) antes de volver a su posición original adrizandose por si solo. Con un AVS de 120 grados o mas, el tiempo de su posición invertida será de 2 minutos o menos.  

Calculo del AVS de " Wayra ": La unidad de Wolfson en la Universidad de Southamport desenvolvió una formula para estimar el AVS para veleros contemporáneos con quillas standars. Este metodo es bastante rasonable y exácto.

Los datos que usamos, son: Calado del casco - hull draft  (llamado tambien calado de canoa, DCB- Draft canoe Body) en pies. Lastro en libras; Desplazamiento en libras.Manga total en pies; La densidad del agua de mar es 64 libras/pie cubico; densidad del agua dulce es 62.4 libras por pie cúbico.

Esto significa que la cantidad de agua de mar ocupando un volumen de un pie cubico pesa 64 libras. Por otro lado, agua dulce = 62.4 libras.

Calado del casco - Hull draft(DCB): es el calado del casco sin la quilla, sobre la sección media del barco. Se consigue trazando una línea vertical de un octabo de la manga total desde la linea central.(linea de crujia) y medida hacia abajo hasta interceptar la linea de agua con el casco; como mostrado en la figura abajo.

Para Wayra tenémos los siguientes valores:DCB = 2,72 pies; Lastro = 12.000; Desplazamiento = 40.000 libras; Manga total =

We use the following values for Wayra in the calculations: DCB=2,72 feet; ballast = 12.000 pounds; displacement = 40.000 pounds; beam overall = 13,08 feet.

BR(ballast ratio) = Lastro / desplazamiento = 12.000 / 40.000 = 0,30

Desplazamiento en pies cubicos ( agua de mar): 40.000 / 64 libras/pie cubico = 625 pies cúbicos.

Primero calculamos screening value (SV)

AVS = 100 + ( 400 / ( SV- 10) )

AVS = 100 + ( 400 / ( 24,54 - 10 ) )

AVS = 127,5  grados.

Finalmente hacemos un ajuste para reducir el AVS standard de Wolfons, ya que parece ser múy alto.Multiplicamos el AVS por 0,97

AVS: 127,5  X  0,97 = 123,6 grados.

Esto quiere decir que el velero " Wayra " solo girará completamente despues de haberse escorado 123,6 grados (teniendo en cuenta los criterios del angulo de inundación invertida: downflood angle)

angulo de inundación invertida: Es el ángulo de escora en el cual el agua le comienza entrarle all velero, esto es una parte importante de la ecuación de estabilidad.Todas los calculos y curvas estandares de estbilidad asumen que el barco es tan estanco como un submarino. De hecho,la mayoría de veleros a 110 grados de escora el agua comenzará a entrar por los venteos y algotros pequeñas aberturas.Esa entrada de agua reducirá la estabilidad del velero al inundar la parte inferior ya que a cada escora el agua se movimenta libre ayudando a girar el barco y además creando el efecto llamado " superficie libre " reduciendo asi el momento de adrisamiento. Si sellamos, y apretamos bien todas las puertas, ventanas,escotillas y cajas de los ventiladores este efécto no sera tan grande.  

Análisis exáctos de estabilidad entretanto asumen que la principal entrada puede dejarse abierta, ya que no es común con tiempo moderado el viento pueda aumentar de repente sin dar aviso previo haciendo escorar el velero hasta dejar entrar agua.Un velero puede tener un AVS de 130 grados, pero angulo de inundacíon invertida solo de 112 grados. Si escotillas son dejadas abiertas, el agua inundará el velero haciendolo naufragar bien ántes de haber alcanzado los teóricos 130 grados de AVS. El velero girará y naufragará definitívamente. 

Generalmente el angulo de inundacion invertido(downflood angle) debe ser de 110 grados para veleros offshore (navegando en mar abierto)

Entradas principles pueden reducir el ángulo en 20 grados o mas.

 
Calculos de estabilidad del  velero "Wayra" realizados por ahora solamente en la Linea de flotacion de diseno.( archivo en formato PDF).

Calculos:  

Desplasamiento, coeficiente prismatico, Coeficiente de bloco, Toneladas por centimetro de inmersion, Centro logitudinal de carena, centro longitudinal de flotacion, Momento de inercia longitudinal, momento de inercia transversal, Estabilidad transversal con pequenos angulos de escora, Estabilidad longitudinal a pequenos angulos.

Una vez el Velero este listo para navegar, todos los calculos seran realizados asi como tambien seran realizdos los calculos de setabilidad en cada linea de calado. 

Pulse aqui para abrir el archivo de los calculos en formato PDF. 

Esta interesado en saber algunos concéptos básicos de Estabilidad y fluctuabilidad de embarcaciones?
He encontrado en Internet un articulo muy buenos al respecto. Pulse aqui para descargarlo "Ship Stability and Buoyancy" publicado por la Guarda Costera Americana. En formato PDF y solamente en Ingles. 

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